Updating of Finite Element Models using static and dynamic optical strains with application to damage assessment

In the recent years, vibration-based structural damage identification has been subject of significant research in structural engineering. The basic idea of vibration-based methods is that damage induces mechanical properties changes that cause anomalies in the dynamic response of the structure, which measures allow to localize damage and its extension. Vibration measured data, such as frequencies and mode shapes, can be used in the Finite Element Model Updating in order to adjust structural parameters sensible at damage (e.g. Young’s Modulus). The novel aspect of this thesis is the introduction into the objective function of accurate measures of strains mode shapes, evaluated through FBG sensors. After a review of the relevant literature, the case of study, i.e. an irregular prestressed concrete beam destined for roofing of industrial structures, will be presented. The mathematical model was built through FE models, studying static and dynamic behaviour of the element. Another analytical model was developed, based on the ‘Ritz method’, in order to investigate the possible interaction between the RC beam and the steel supporting table used for testing. Experimental data, recorded through the contemporary use of different measurement techniques (optical fibers, accelerometers, LVDTs) were compared whit theoretical data, allowing to detect the best model, for which have been outlined the settings for the updating procedure.

Effects of wireless sensor network uncertainties on output-only modal analysis employing merged data of multiple tests

The use of Wireless Sensor Networks (WSNs) for Structural Health Monitoring (SHM) has become a promising approach due to many advantages such as low cost, fast and flexible deployment. However, inherent technical issues such as data synchronization error and data loss have prevented these distinct systems from being extensively used. Recently, several SHM-oriented WSNs have been proposed and believed to be able to overcome a large number of technical uncertainties. Nevertheless, there is limited research verifying the applicability of those WSNs with respect to demanding SHM applications like modal analysis and damage identification. This paper first presents a brief review of the most inherent uncertainties of the SHM-oriented WSN platforms and then investigates their effects on outcomes and performance of the most robust Output-only Modal Analysis (OMA) techniques when employing merged data from multiple tests. The two OMA families selected for this investigation are Frequency Domain Decomposition (FDD) and Data-driven Stochastic Subspace Identification (SSI-data) due to the fact that they both have been widely applied in the past decade. Experimental accelerations collected by a wired sensory system on a large-scale laboratory bridge model are initially used as clean data before being contaminated by different data pollutants in sequential manner to simulate practical SHM-oriented WSN uncertainties. The results of this study show the robustness of FDD and the precautions needed for SSI-data family when dealing with SHM-WSN uncertainties. Finally, the use of the measurement channel projection for the time-domain OMA techniques and the preferred combination of the OMA techniques to cope with the SHM-WSN uncertainties is recommended.

Development of a bi-material representative volume element using damaged homogenisation approach

Most civil engineering structures are formed using a number of materials that are bonded to each other with their surface-to-surface interaction playing key role on the overall response of the structure. Unfortunately these interactions are extremely variable; simplified and extremely detailed models trialed to date prove quite complex. Models that assume perfect interaction, on the other hand, predict unsafe behavior. In this paper a damage mechanics based interaction between two materials of different softening properties is developed using homogenisation approach. This paper describes the process of developing a bi-material representative volume element (RVE) using damaged homogenisation approach. The novelty in this paper is the development of non-local transient damage identification algorithm. Numerical examples prove the stability of the approach for a simplified RVE and encourage application to other shapes of RVEs.

Effects of wireless sensor network uncertainties on output-only modal analysis employing merged data of multiple tests

The use of Wireless Sensor Networks (WSNs) for vibration-based Structural Health Monitoring (SHM) has become a promising approach due to many advantages such as low cost, fast and flexible deployment. However, inherent technical issues such as data asynchronicity and data loss have prevented these distinct systems from being extensively used. Recently, several SHM-oriented WSNs have been proposed and believed to be able to overcome a large number of technical uncertainties. Nevertheless, there is limited research verifying the applicability of those WSNs with respect to demanding SHM applications like modal analysis and damage identification. Based on a brief review, this paper first reveals that Data Synchronization Error (DSE) is the most inherent factor amongst uncertainties of SHM-oriented WSNs. Effects of this factor are then investigated on outcomes and performance of the most robust Output-only Modal Analysis (OMA) techniques when merging data from multiple sensor setups. The two OMA families selected for this investigation are Frequency Domain Decomposition (FDD) and data-driven Stochastic Subspace Identification (SSI-data) due to the fact that they both have been widely applied in the past decade. Accelerations collected by a wired sensory system on a large-scale laboratory bridge model are initially used as benchmark data after being added with a certain level of noise to account for the higher presence of this factor in SHM-oriented WSNs. From this source, a large number of simulations have been made to generate multiple DSE-corrupted datasets to facilitate statistical analyses. The results of this study show the robustness of FDD and the precautions needed for SSI-data family when dealing with DSE at a relaxed level. Finally, the combination of preferred OMA techniques and the use of the channel projection for the time-domain OMA technique to cope with DSE are recommended.

Multiscale features and information extraction of online strain for long-span bridges

The strain data acquired from structural health monitoring (SHM) systems play an important role in the state monitoring and damage identification of bridges. Due to the environmental complexity of civil structures, a better understanding of the actual strain data will help filling the gap between theoretical/laboratorial results and practical application. In the study, the multi-scale features of strain response are first revealed after abundant investigations on the actual data from two typical long-span bridges. Results show that, strain types at the three typical temporal scales of 10^5, 10^2 and 10^0 sec are caused by temperature change, trains and heavy trucks, and have their respective cut-off frequency in the order of 10^-2, 10^-1 and 10^0 Hz. Multi-resolution analysis and wavelet shrinkage are applied for separating and extracting these strain types. During the above process, two methods for determining thresholds are introduced. The excellent ability of wavelet transform on simultaneously time-frequency analysis leads to an effective information extraction. After extraction, the strain data will be compressed at an attractive ratio. This research may contribute to a further understanding of actual strain data of long-span bridges; also, the proposed extracting methodology is applicable on actual SHM systems.

SHM through flexible vibration sensing technologies and robust safety evaluation paradigm

This research has successfully developed a novel synthetic structural health monitoring system model that is cost-effective and flexible in sensing and data acquisition; and robust in the structural safety evaluation aspect for the purpose of long-term and frequent monitoring of large-scale civil infrastructure during their service lives. Not only did it establish a real-world structural monitoring test-bed right at the heart of QUT Gardens Point Campus but it can also facilitate reliable and prompt protection for any built infrastructure system as well as the user community involved.

Exploring isospectral cantilever beams using electromagnetism inspired optimization technique

Isospectral beams have identical free vibration frequency spectrum for a specific boundary condition. The problem of finding non-uniform beams which are isospectral to a given uniform beam, with fixed-free boundary condition, leads to a multimodal optimization problem. The first Q natural frequencies of the given uniform Euler-Bernoulli beam are determined using analytical solution. The first Q natural frequencies of a non-uniform beam are obtained with the help of finite element modeling. In order to obtain the non-uniform beams isospectral to a given uniform beam, an error function is designed, which calculates the difference between the spectra of the given uniform beam and the non-uniform beam. In our study, this error function is minimized using electromagnetism inspired optimization technique, a population based iterative algorithm inspired by the attraction-repulsion physics of electromagnetism. Numerical results show the existence of the isospectral non-uniform beams for a given uniform beam, which occur as local minima. Non-uniform beams isospectral to a damaged beam, are also explored using the proposed methodology to illustrate the fact that accurate structural damage identification is difficult by just frequency measurements. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Identificação de danos em estruturas bi-dimensionais via matriz de flexibilidade baseado em um modelo de dano contínuo

No presente trabalho, o modelo de identificação de danos apresentado por Stutz et al. (2005) é utilizado. A contribuição do presente trabalho consiste em avaliar alguns pontos da identificação de danos em vigas e, em seguida, expandir o modelo para identificar danos estruturais em placas. Uma avaliação do comportamento das frequências naturais e da matriz de flexibilidade para uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada, na presença de danos simulados pelo parâmetro de coesão é realizada. Essa análise, permite também o conhecimento das regiões onde há maior sensibilidade ao dano, ajudando a traçar estratégias para melhorar a identificação de danos em regiões que sofrem poucas alterações na presença de falhas estruturais. Comparou-se o comportamento dos dois primeiros modos de vibração da viga simplesmente apoiada na presença de um dano estrutural, com os dois primeiros modos de vibração da estrutura intacta e corrompidos por ruído. Diversos métodos de localização de danos e de otimização são avaliados na tentativa de identificar os danos simulados através do campo de danos proposto por Stutz et al. (2005) na presença de dados ruidosos. Após a apresentação de resultados da identificação de danos obtidos para uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada, uma análise do comportamento das frequências naturais e da matriz de flexibilidade de uma viga de Euler- Bernoulli engastada na presença de danos é apresentada, assim como os resultados de identificação de danos considerando-se diversos cenários e níveis de ruído. Uma importante contribuição do presente trabalho consiste em propor um método de identificação de danos via matriz de flexibilidade onde o campo de defeitos para a placa de Kirchoff é modelado via MEF. Uma análise do comportamento da matriz de flexibilidade devido à presença de danos na placa é apresentada, assim como os resultados numéricos da identificação de danos estruturais com e sem a presença de dados ruidosos. Com a finalidade de reduzir o custo computacional na identificação de danos em estruturas complexas, uma hibridização entre o método de otimização por enxame de particulas (PSO, do inglês, Particle Swarm Optimization) e o método de otimização Levenberg-Marquardt é proposta. Resultados numéricos da hibridização para uma estrutura do tipo placa são apresentados.

Identificação de danos estruturais via método de Monte Carlo com cadeias de Markov

O presente trabalho apresenta um estudo referente à aplicação da abordagem Bayesiana como técnica de solução do problema inverso de identificação de danos estruturais, onde a integridade da estrutura é continuamente descrita por um parâmetro estrutural denominado parâmetro de coesão. A estrutura escolhida para análise é uma viga simplesmente apoiada do tipo Euler-Bernoulli. A identificação de danos é baseada em alterações na resposta impulsiva da estrutura, provocadas pela presença dos mesmos. O problema direto é resolvido através do Método de Elementos Finitos (MEF), que, por sua vez, é parametrizado pelo parâmetro de coesão da estrutura. O problema de identificação de danos é formulado como um problema inverso, cuja solução, do ponto de vista Bayesiano, é uma distribuição de probabilidade a posteriori para cada parâmetro de coesão da estrutura, obtida utilizando-se a metodologia de amostragem de Monte Carlo com Cadeia de Markov. As incertezas inerentes aos dados medidos serão contempladas na função de verossimilhança. Três estratégias de solução são apresentadas. Na Estratégia 1, os parâmetros de coesão da estrutura são amostrados de funções densidade de probabilidade a posteriori que possuem o mesmo desvio padrão. Na Estratégia 2, após uma análise prévia do processo de identificação de danos, determina-se regiões da viga potencialmente danificadas e os parâmetros de coesão associados à essas regiões são amostrados a partir de funções de densidade de probabilidade a posteriori que possuem desvios diferenciados. Na Estratégia 3, após uma análise prévia do processo de identificação de danos, apenas os parâmetros associados às regiões identificadas como potencialmente danificadas são atualizados. Um conjunto de resultados numéricos é apresentado levando-se em consideração diferentes níveis de ruído para as três estratégias de solução apresentadas.

Aperfeiçoamento do algoritmo algébrico sequencial para a identificação de variações abruptas de impedância acústica via otimização

Neste trabalho são utilizados a técnica baseada na propagação de ondas acústicas e o método de otimização estocástica Luus-Jaakola (LJ) para solucionar o problema inverso relacionado à identificação de danos em barras. São apresentados o algoritmo algébrico sequencial (AAS) e o algoritmo algébrico sequencial aperfeiçoado (AASA) que modelam o problema direto de propagação de ondas acústicas em uma barra. O AASA consiste nas modificações introduzidas no AAS. O uso do AASA resolve com vantagens o problema de identificação de danos com variações abruptas de impedância. Neste trabalho são obtidos, usando-se o AAS-LJ e o AASA-LJ, os resultados de identificação de cinco cenários de danos. Três deles com perfil suave de impedância acústica generalizada e os outros dois abruptos. Além disso, com o objetivo de simular sinais reais de um experimento, foram introduzidos variados níveis de ruído. Os resultados alcançados mostram que o uso do AASA-LJ na resolução de problemas de identificação de danos em barras é bastante promissor, superando o AAS-LJ para perfis abruptos de impedância.

Identificação de danos estruturais utilizando dados no domínio do tempo provenientes de ensaios de vibração

O presente trabalho aborda o problema de identificação de danos em uma estrutura a partir de sua resposta impulsiva. No modelo adotado, a integridade estrutural é continuamente descrita por um parâmetro de coesão. Sendo assim, o Modelo de Elementos Finitos (MEF) é utilizado para discretizar tanto o campo de deslocamentos, quanto o campo de coesão. O problema de identificação de danos é, então, definido como um problema de otimização, cujo objetivo é minimizar, em relação a um vetor de parâmetros nodais de coesão, um funcional definido a partir da diferença entre a resposta impulsiva experimental e a correspondente resposta prevista por um MEF da estrutura. A identificação de danos estruturais baseadas no domínio do tempo apresenta como vantagens a aplicabilidade em sistemas lineares e/ou com elevados níveis de amortecimento, além de apresentar uma elevada sensibilidade à presença de pequenos danos. Estudos numéricos foram realizados considerando-se um modelo de viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada. Para a determinação do posicionamento ótimo do sensor de deslocamento e do número de pontos da resposta impulsiva, a serem utilizados no processo de identificação de danos, foi considerado o Projeto Ótimo de Experimentos. A posição do sensor e o número de pontos foram determinados segundo o critério D-ótimo. Outros critérios complementares foram também analisados. Uma análise da sensibilidade foi realizada com o intuito de identificar as regiões da estrutura onde a resposta é mais sensível à presença de um dano em um estágio inicial. Para a resolução do problema inverso de identificação de danos foram considerados os métodos de otimização Evolução Diferencial e Levenberg-Marquardt. Simulações numéricas, considerando-se dados corrompidos com ruído aditivo, foram realizadas com o intuito de avaliar a potencialidade da metodologia de identificação de danos, assim como a influência da posição do sensor e do número de dados considerados no processo de identificação. Com os resultados obtidos, percebe-se que o Projeto Ótimo de Experimentos é de fundamental importância para a identificação de danos.

Identificação de danos estruturais a partir do modelo de superfície de resposta

A identificação de danos estruturais é uma questão de fundamental importância na engenharia, visto que uma estrutura está sujeita a processos de deterioração e a ocorrência de danos durante a sua vida útil. A presença de danos compromete o desempenho e a integridade estrutural, podendo colocar vidas humanas em risco e resultam em perdas econômicas consideráveis. Técnicas de identificação de danos estruturais e monitoramento de estruturas fundamentadas no ajuste de um Modelo de Elementos Finitos (MEF) são constantes na literatura especializada. No entanto, a obtenção de um problema geralmente mal posto e o elevado custo computacional, inerente a essas técnicas, limitam ou até mesmo inviabilizam a sua aplicabilidade em estruturas que demandam um modelo de ordem elevada. Para contornar essas dificuldades, na formulação do problema de identificação de danos, pode-se utilizar o Modelo de Superfície de Reposta (MSR) em substituição a um MEF da estrutura. No presente trabalho, a identificação de danos estruturais considera o ajuste de um MSR da estrutura, objetivando-se a minimização de uma função de erro definida a partir das frequências naturais experimentais e das correspondentes frequências previstas pelo MSR. Estuda-se o problema de identificação de danos estruturais em uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada, considerando as frequências naturais na formulação do problema inverso. O comportamento de uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada na presença de danos é analisado, com intuito de se verificar as regiões onde a identificação dos mesmos pode apresentar maior dificuldade. No processo de identificação de danos, do presente trabalho, são avaliados os tipos de superfícies de resposta, após uma escolha apropriada do tipo de superfície de resposta a ser utilizado, determina-se a superfície de resposta considerando os dados experimentais selecionados a partir do projeto ótimo de experimentos. A utilização do método Evolução Diferencial (ED) no problema inverso de identificação de danos é considerado inerente aos resultados numéricos obtidos, a estratégia adotada mostrou-se capaz de localizar e quantificar os danos com elevada acurácia, mostrando a potencialidade do modelo de identificação de danos proposto.

Experimental investigation of drive-by bridge inspection

This study presents a vibration-based health monitoring of short span bridges by
an inspection vehicle. How to screen health condition of short span bridges in terms of the
drive-by bridge inspection is described. Feasibility of the drive-by bridge inspection is
investigated through a scaled laboratory moving vehicle experiment. The feasibility of using an
instrumented vehicle to detect the natural frequency and changes in structural damping of a
model bridge is observed. Observations also demonstrate possibility of diagnosis of bridges by
comparing patterns of identified dynamic parameters of bridges through a periodical
monitoring. It is confirmed that the method for damage identification under a moving vehicle
identifies the damage location and severity well.

Benchmarking de identificação de ano: criação de um site para benchmarking de técnicas de identificação de dano

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica na Área de Manutenção e Produção

A hybrid approach of knowledge-based reasoning for structural assessment

La idea básica de detección de defectos basada en vibraciones en Monitorización de la Salud Estructural (SHM), es que el defecto altera las propiedades de rigidez, masa o disipación de energía de un sistema, el cual, altera la respuesta dinámica del mismo. Dentro del contexto de reconocimiento de patrones, esta tesis presenta una metodología híbrida de razonamiento para evaluar los defectos en las estructuras, combinando el uso de un modelo de la estructura y/o experimentos previos con el esquema de razonamiento basado en el conocimiento para evaluar si el defecto está presente, su gravedad y su localización. La metodología involucra algunos elementos relacionados con análisis de vibraciones, matemáticas (wavelets, control de procesos estadístico), análisis y procesamiento de señales y/o patrones (razonamiento basado en casos, redes auto-organizativas), estructuras inteligentes y detección de defectos. Las técnicas son validadas numérica y experimentalmente considerando corrosión, pérdida de masa, acumulación de masa e impactos. Las estructuras usadas durante este trabajo son: una estructura tipo cercha voladiza, una viga de aluminio, dos secciones de tubería y una parte del ala de un avión comercial.